DE102010042832A1

DE102010042832A1 - Verfahren zur Herstellung eines induktiven Sensors

Info

Publication number: DE102010042832A1
Application number: DE102010042832A
Authority: DE
Inventors: Christian Fanselow; Ingrid Wunderlich; André Pfeifer
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2030-10-23
Also published as: CN102455189A; US9068860B2; US20120098550A1; DE102010042832B4; CN102455189B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven Sensors, bei welchem auf eine Trägerplatte (7) beidseitig, eine Öffnung der Trägerplatte (7) umschließende Spulen (8, 9) aufgebracht werden und die Trägerplatte (7) mit den Spulen (8, 9) in ein Gehäuse (2) eingeführt wird, wobei eine Hülse (5) durch eine erste Ausnehmung (3) des Gehäuses (2) durch die Öffnung der Trägerplatte (7) hindurch in das Gehäuse (2) eingeführt wird. Um eine haftfeste und temperaturunabhängige Verbindungsstelle zwischen der Hülse und dem Gehäuse zu erreichen, wird die Hülse (5) mit dem Gehäuse (2) verschweißt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven Sensors, bei welchem auf eine Trägerplatte beidseitig, eine Öffnung der Trägerplatte umschließende Spulen angebracht werden und die Trägerplatte mit den Spulen in ein Gehäuse eingeführt wird, wobei eine Hülse durch eine erste Ausnehmung des Gehäuses durch die Öffnung der Trägerplatte hindurch in das Gehäuse eingeführt wird.
Die Spulen von induktiven Leitfähigkeitssensoren können in verschiedener Art und Weise mit einem Sensorgehäuse versehen werden. Es ist bekannt, dass eine Spulenbaugruppe gebildet wird, bei welcher die Spulen zunächst in einem aufwändigen Verfahren in ein separates Spulengehäuse eingesetzt und anschließend in diesem Spulengehäuse mit Kunststoff umspritzt werden. Die so erzeugte Baugruppe wird dann in ein Sensorgehäuse eingeführt. Die Schaffung des separaten Spulengehäuses ist notwendig, um die Spulen beim Umspritzen vor hohen Spritzdrücken und vor sehr hohen Temperaturen während des Spritzvorganges zu schützen. Da die Spulen sehr empfindlich gegenüber Druck und Temperatur sind, besteht bei dieser Verarbeitung neben einem hohen Vorbereitungs- und Montageaufwand der Spulenbaugruppe ein hohes Ausschussrisiko.
In einer anderen Variante werden die Spulen in einem Spulengehäuse vormontiert. Das Einbringen der Spulen in das Spulengehäuse ist sehr aufwändig, da die Spulen an einer Kabelbaugruppe im Sensorgehäuse verlötet werden müssen. Anschließend wird auf der offenen Seite des Sensorgehäuses ein Deckel aufgeschweißt, welcher im folgenden Arbeitsgang überfräst werden muss. Neben dem hohen Vorbereitungs- und Montageaufwand der Sensorbaugruppe ist zusätzlich eine Nacharbeit der Schweißnaht notwendig.
Bei einem bekannten Sensor werden zwei Spulen auf jeweils einer Seite einer Leiterplatte angeordnet und anschließend die vormontierte Leiterplatte in das Sensorgehäuse eingesetzt. Die Leiterplatte weist dabei eine Öffnung auf, um welche sich die als Ringspulen ausgebildeten Spulen positionieren. Nach dem Einsetzen der Leiterplatte in das Sensorgehäuse wird das Gehäuse durch eine Hülse verschlossen, welche durch eine Wandung des Gehäuses in das Gehäuse eingeführt und durch die Öffnung der Leiterplatte hindurch geführt wird. Die beiden Enden der Hülse werden dabei an den Trennstellen zum Gehäuse mit diesem verklebt. Der Innenraum des Sensorgehäuses wird im Anschluss mit einer Vergussmasse ausgefüllt. Neben dem Vorbereitungsaufwand der Klebestellen, welche vor dem Klebeprozess gereinigt werden müssen, ist auch eine Nacharbeit an den Übergangsstellen der Klebung notwendig. Der Klebespalt, welcher sich zwischen Hülse und Gehäuse ausbildet, weist einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Gehäuse auf, wobei bei Temperaturwechselvorgängen beim Einsatz des induktiven Sensors der Klebespalt abgelöst werden kann. Darüber hinaus weist der Klebstoff eine schlechtere chemische Beständigkeit als Kunststoff auf. Zur Herstellung der zwei separaten Klebestellen ist eine aufwändige Handhabung notwendig, welche einen höheren Zeitaufwand erfordert.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven Sensors anzugeben, bei welchem die Handhabung während des Verbindungsprozesses der Hülse mit dem Gehäuse vereinfacht wird und unter Vermeidung eines hohen Vorbereitungsaufwandes eine stabile Verbindung zwischen Hülse und Gehäuse erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Hülse mit dem Gehäuse verschweißt wird. Dies hat den Vorteil, dass eine homogene stoffschlüssige Verbindung erreicht wird. Die Spulen erfahren während des Herstellungsverfahrens keinerlei Einfluss durch Druck und Temperatur und werden daher in ihrem Aufbau durch diese äußeren Einflüsse nicht beeinflusst. Eine einfache Spulenkonzeptionierung ist auf der Trägerplatte inklusive Temperaturfühler und Elektronik möglich. Durch das Verschweißen wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Hülse und Gehäuse erreicht, wobei auf eine Zwischenschicht, wie Klebstoff, verzichtet wird. Durch den Wegfall der Zwischenschicht wird eine Beschädigung der Verbindung von Gehäuse und Hülse zuverlässig unterbunden.
Vorteilhafterweise wird die Hülse mit einem, über die erste Ausnehmung hinausragenden Vorsprung von außen auf die erste Ausnehmung des Gehäuses aufgelegt, wobei der Vorsprung der Hülse während des Schweißens in die erste Ausnehmung eingebracht wird. Durch den Vorsprung ist eine genaue Positionierung der Hülse in dem Gehäuse vor dem Schweißprozess möglich, so dass während des Schweißvorganges der Vorsprung zielsicher in die Ausnehmung des Gehäuses eingeführt werden kann, was zu einer Vereinfachung des Herstellungsprozesses führt.
In einer Ausgestaltung wird der Vorsprung der Hülse während des Schweißens in die erste Ausnehmung eingedrückt. Durch das Aufbringen von Druck auf den Vorsprung der Hülse verschmilzt der Vorsprung mit der Ausnehmung des Gehäuses, wodurch eine ebene Oberfläche der Außenseite des Gehäuses realisiert wird, bei welcher es keiner Nacharbeit bedarf. Das Gehäuse schließt somit schlüssig mit der Hülse ab.
In einer Variante wird vor dem Einbringen des Vorsprunges der Hülse in die erste Ausnehmung die erste Ausnehmung mit einem gestuften Innendurchmesser versehen. Durch die Stufe des Innendurchmessers der Ausnehmung des Gehäuses wird das Eindringen des Vorsprungs der Hülse während des Schweißens erleichtert, da die genaue Position des Vorsprunges innerhalb der Ausnehmung vorgegeben ist. Dabei schließt der Vorsprung der Hülse nach dem Verschweißen mit dem Gehäuse nicht nur schlüssig mit der Außenoberfläche des Gehäuses, sondern auch mit der Stufe, also der Unterkante der Ausnehmung, ab. Dadurch ist eine genaue Positionierung der Hülse in dem Gehäuse einfach vorgebbar.
In einer Weiterbildung wird das in dem Gehäuse befindliche Ende der Hülse einer zweiten Ausnehmung des Gehäuses vorgelagert und anschließend beim Verschweißen der Hülse mit dem Gehäuse in die zweite Ausnehmung eingebracht. Beim Einführen der Hülse in das Gehäuse wird die Hülse durch die Öffnung der Trägerplatte genau in dem Gehäuse positioniert. Durch aus Aufliegen des Vorsprungs auf der ersten Außenseite des Gehäuses wird auch das Ende der Hülse innerhalb des Gehäuses genau vor der zweiten Ausnehmung positioniert, die auf der, der ersten Gehäuseseite gegenüber liegenden zweiten Seite des Gehäuses ausgebildet ist. Auch dieses Ende der Hülse wird durch einen Schweißprozess in die zweite Ausnehmung eingebracht, wodurch das Gehäuse an dieser Stelle ebenfalls eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ende der Hülse und dem Gehäuse eingeht.
Vorteilhafterweise werden die erste und die zweite Ausnehmung des Gehäuses gleichzeitig mit dem Vorsprung und dem Ende der Hülse verschweißt. Somit werden die beiden Fügestellen in nur einem einzigen Arbeitsgang miteinander verbunden, was den Herstellungsprozess des Sensors wesentlich verkürzt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Hülse mit dem Gehäuse mittels eines Ultraschallschweißverfahrens verbunden. Dieses Ultraschallschweißverfahren ermöglicht nicht nur die gleichzeitige Verschweißung des Vorsprungs und des Endes der Hülse mit dem Gehäuse, sondern bringt ebenfalls den erforderlichen Druck auf, um den Vorsprung der Hülse in die erste Ausnehmung einzubringen. Dadurch wird ein schlüssiger Abschluss des Vorsprungs und des Endes der Hülse mit der Oberfläche des Gehäuses des Sensors hergestellt.
In einer Weiterbildung werden die, mit dem Vorsprung und/oder dem Ende der Hülse befüllten beiden Ausnehmungen des Gehäuses im Bereich eines Außenradius nachgearbeitet. Dies ist insbesondere immer dann erforderlich, wenn die Hülse als Durchflusseinsatz für ein zu messendes Medium benutzt wird, wobei sich durch das Nacharbeiten eine glattere Oberfläche an den Fügestellen ergibt.
Vorteilhafterweise wird der Außenradius des, in das Gehäuse eingelassenen Vorsprungs und/oder Endes der Hülse von außen nach innen in Richtung der Längserstreckung der Hülse abgerundet. Diese Abrundung verbessert das Strömungsverhalten des durch die Hülse fließenden Messmediums.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft einen induktiven Leitfähigkeitssensor, der nach einem in dieser Schutzrechtsanmeldung erläuterten Verfahren hergestellt ist. Ein solcher Sensor ist infolge des Schweißprozesses sehr einfach und ohne größeren Zeitaufwand und aufwändige Handhabung herstellbar.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1: Verfahrensschritte bei der Herstellung eines induktiven Leitfähigkeitssensors Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine Schrittfolge des Zusammenfügens eines induktiven Leitfähigkeitssensors mit einem Gehäuse.
In 1a ist der Sensorschaft 1 dargestellt, welcher ein Gehäuse 2 aus Kunststoff aufweist. Der Sensorschaft 1 weist einen nicht weiter dargestellten Hohlraum auf, welcher sich innerhalb des Sensorschaftes 1 erstreckt und auf der einen Seite in eine Ausnehmung 3 des Gehäuses 2 und auf der entgegengesetzten Seite in einer Ausnehmung 4 des Gehäuses 2 nach außen geführt ist. In diesen Ausnehmungen 3 und 4, bei welchen die erste Ausnehmung 3 eine Stufe 3a aufweist, soll ein Durchflusseinsatz in Form einer Hülse 5 eingeführt werden, wobei die Hülse 5 einen umlaufenden Vorsprung 6 aufweist und ebenfalls aus Kunststoff besteht.
In 1b ist die Montagestellung vor dem Verschweißen des Gehäuses 2 des Sensorschaftes 1 mit der Hülse 5 dargestellt. Zunächst wurde eine Trägerplatte 7 in den Sensorschaft 1 eingeführt, wobei zu beiden Seiten der Trägerplatte 7 jeweils eine Spule 8 bzw. eine Spule 9 angeordnet sind, welche als Ringspulen ausgebildet sind. Die Trägerplatte 7 wird vollständig mit den Spulen 8 und 9 und einer Elektronik vormontiert und in den Hohlraum des Sensorschafts 1 eingefügt. Dabei sind die Spulen 8, 9 über eine elektrische Verbindung 10 mit der Trägerplatte 7, die vorzugsweise eine Leiterplatte darstellt, verbunden.
Die Spulen 8 und 9 umschließen eine Öffnung der Trägerplatte 7. Nach dem Einfügen der Trägerplatte 7 in den Sensorschaft 1 wird die Hülse 5 in die Öffnung der Trägerplatte 7 durch die Ringspulen 8, 9 hindurchgeführt. Dies erfolgt durch die erste Ausnehmung 3 des Gehäuses 2, wobei der umlaufende Vorsprung 6 der Hülse 5 einen größeren Durchmesser aufweist, als die erste Ausnehmung 3. Unter dieser Voraussetzung liegt der Vorsprung 6 auf der Außenseite des Gehäuses 2 auf.
Das Ende 11 der Hülse 5 liegt im Hohlraum des Sensorschaftes 1 vor der Ausnehmung 4 des Gehäuses 2. Durch den Überstand des umlaufenden Vorsprunges 6 auf die erste Ausnehmung 3 bleibt innerhalb der Ausnehmung 3 ein Spalt zwischen der Gehäuseaußenwand und einer Stufe 3a im Bereich der Ausnehmung 3 bestehen. Dieser Spalt wird beim nachfolgenden Schweißvorgang, welcher als Ultraschallschweißen ausgeführt wird, durch den Vorsprung 6 der Hülse 5 ausgefüllt.
Der Schweißvorgang ist in 1c dargestellt. Mittels des Ultraschallschweißens wird der Vorsprung 6 der Hülse 5 genauso wie das Ende 11 der Hülse 5 und die Randbereiche der Ausnehmungen 3 und 4 verflüssigt, wobei der Vorsprung 6 und das Ende 11 des Durchflusseinsatzes 5 in die Ausnehmungen 3 und 4 eingepresst werden. Wie aus 1c ersichtlich, füllt der Vorsprung 6 dabei den Spalt, welcher sich bezüglich der Stufe 3a in der Ausnehmung 3 ergeben hat, vollständig aus. Sowohl der Vorsprung 6 als auch das Ende 11 der Hülse 5 bilden einen schlüssigen Abschluss mit der jeweiligen Außenoberfläche des Gehäuses 2. Der Vorsprung 6 liegt dabei vollständig auf der Kante 3a auf, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen die Hülse 5 und dem Gehäuse 2 ohne eine weitere Zwischenschicht hergestellt wurde. Dasselbe gilt für das Ende 11 der Hülse 5, welche mit der Ausnehmung 4 verschweißt wird. Es wird somit ein spiegelsymmetrischer Sensorschaft 1 geschaffen, wobei der Schweißvorgang beider Fügestellen der Hülse 5 an den Ausnehmungen 3, 4 mit dem Gehäuse 2 in einem gemeinsamen Arbeitsschritt vorgenommen wird. Dabei bildet die erste Fügestelle die Verbindung zwischen dem Gehäuse 2 und dem Vorsprung 6, während die zweite Fügestelle durch die Verbindung des Endes 11 des Durchflusseinsatzes 5 mit dem Gehäuse 2 dargestellt wird. Bei dem Ultraschallschweißen handelt es sich dabei immer um Kunststoffschweißverbindungen, da das Gehäuse 2 und die Hülse 5 jeweils aus einem Kunststoff bestehen.
In 1d wird die Schweißnaht nachgearbeitet, wobei eventuell abstehende Partikel spanend entfernt werden. Da die Hülse 5 dazu dient, dass bei einem induktiven Leitfähigkeitssensor ein flüssiges Messmedium durch den Innenraum der Hülse 5 geführt wird, werden die Radien der Hülse 5 im Bereich des Vorsprunges 5 bzw. des Endes 11 zum Durchflusskanal 13 der Hülse 5 hin abgerundet. Diese Abrundungen 12a bzw. 12b werden dabei von außen nach innen in Richtung des Durchflusskanals 13 der Hülse 5 vorgenommen. Diese Abrundungen 12a, 12b verbessern das Strömungsverhalten des durch den Hohlraum 13 fließenden Messmediums.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines induktiven Sensors, bei welchem auf eine Trägerplatte (7) beidseitig, eine Öffnung der Trägerplatte (7) umschließende Spulen (8, 9) angebracht werden und die Trägerplatte (7) mit den Spulen (8, 9) in ein Gehäuse (2) eingeführt wird, wobei eine Hülse (5) durch eine erste Ausnehmung (3) des Gehäuses (2) durch die Öffnung der Trägerplatte (7) hindurch in das Gehäuse (2) eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (5) mit dem Gehäuse (2) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (5) mit einem, über die erste Ausnehmung (3) hinausragenden Vorsprung (6) von außen auf der ersten Ausnehmung (3) des Gehäuses (2) aufgelegt wird, wobei der Vorsprung (6) der Hülse (5) während des Schweißens in die erste Ausnehmung (3) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung der Hülse während des Schweißens in die erste Ausnehmung eingedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen des Vorsprunges (6) der Hülse (5) in die erste Ausnehmung (3) die erste Ausnehmung (3) mit einem gestuften Innendurchmesser (3a) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Gehäuse (2) befindliche Ende (11) der Hülse (5) einer zweiten Ausnehmung (4) des Gehäuses (2) vorgelagert wird und anschließend beim Verschweißen der Hülse (5) mit dem Gehäuse (2) in die zweite Ausnehmung (4) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (3) und die zweite Ausnehmung (4) des Gehäuses (2) gleichzeitig mit dem Vorsprung (6) und dem Ende (11) der Hülse (5) verschweißt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (5) mit dem Gehäuse (2) mittels eines Ultraschweißverfahrens verbunden wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Gehäuse (2) verschweißte Hülse (5) im Bereich der mit dem Vorsprung (6) und/oder dem Ende (11) der Hülse (5) befüllten beiden Ausnehmungen (3, 4) des Gehäuses (2) nach dem Schweißen im Bereich des Außenradius (12a, 12b) nachgearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenradius (12a, 12b) des, in das Gehäuse (2) eingelassenen Vorsprungs (6) und/oder Endes (11) der Hülse (5) von außen nach innen in Richtung der Längserstreckung der Hülse (5) abgerundet wird.
Induktiver Leitfähigkeitssensor, der nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.